飞机操纵系统设计与分析
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飞机操纵系统设计与分析
4.1 操纵系统的特性
飞机的操纵可以由飞行员进行，也可以用自动控制系 统来实现。
操纵系统的特性
驾驶员-操纵系统-飞机控制回路闭环系统：
操纵系统的特性
驾驶员作为控制回路的指令中心环节，用操纵机构消除飞行参数 偏差量的系统原理图：
操纵系统的特性
纵向运动
在没有自动操纵系统的飞机上，要保证相应的纵向静稳定度， 须有：
C nr
4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性 特点及设计
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
基本特点：
高速飞机的普遍特点是，在超音速时，操纵机构的铰链力矩 急剧增大，增量随速压的增长和超过临界M数时操纵舵面压 力的重新分布而增加，也随舵面尺寸的增大而增加。 超音速飞机最重要的特点是纵向静态过载稳定性与飞行状态 密切相关。
电传操纵系统
电传操纵系统的组成
电传操纵系统可分为模拟式和数字式两种，数字式是发展方向。
四余度模拟式电传操纵系统原理图
电传操纵系统
F—16飞机是世界上第一架现役的电传操纵系统飞机。下图为 F—16A飞机的电传操纵系统原理图：
4.5 综合飞行控制系统
综合飞行／火力控制系统
综合飞行／火力控制(IFFC)技术是美国在20世纪70年代
综合飞行控制系统
下面以某型歼击机为例，说明带推力矢量综合飞行／推进
控制系统的组成和功能。某歼击机具有水平鸭翼的三翼面气动 布局；该机装有两台双轴涡轮喷气发动机；尾喷管安装具有反 推力能力的俯仰／偏航矢量喷管。该机综合飞行／推进控制 系统的方块图如下图所示：
综合飞行控制系统
飞行管理系统
飞行管理系统(FMS--Flight Management System) 是 一个协助飞行员完成从起飞到着陆各项任务的系统，可管理、监视 和自动操纵飞机，实现全航程的自动飞行，是当代民航 先进飞机如波音公司的757／767、空中客车公司的A310、 A320等采用的一种新型机载设备。它集导航、制导、控制及 座舱显示于一体，将飞机的自动化水平推到了一个崭新的阶段。飞行 管理系统的主要功能一般可归结为4个：自动飞行控制、 性能管理／制导／导航、咨询／报警显示和乘员操作。
放宽静稳定性要求及飞行边界控制是两项最基本的随控 布局技术。
旅客机可以采用移动重心法来解决超音速飞行时的配平
阻力过大的问题，但对于高机动性的歼击机来说就不适用了， 只有在“放宽静稳定性要求”实现之后才可解决这个问题。
飞机主动控制技术
机动载荷控制
机动载荷控制的目的，对于大型（轰炸、运输）飞机和 小型（歼击）飞机是不同的。对于大型飞机是提高其巡航经 济性；对于小型飞机则是提高其机动性。
中期提出的一种新的航空技术。它以飞机主动控制技术为基础， 通过飞行／火力耦合器将能解耦操纵的飞行控制系统(FCS)和
攻击瞄准系统综合成一个闭环武器自动投放系统。
综合飞行控制系统
综合飞行/火力控制系统基本组成及特点
IFFC具有以下特点：
飞机采用主动控制技术，获得多自由度解耦控制功能，或者至少载机飞 行控制能部分地(或近似地)实现飞行状态和飞行姿态间的解耦控制。 飞行控制系统能在火力控制系统的耦合下，操纵飞机进行自动攻击。 采用适合于自动机动攻击的火力控制系统。
飞机主动控制技术
大型飞机的机动载荷控制
NB－52飞机的机动载荷控制的控制面
飞机主动控制技术
歼击机的机动载荷控制
F－4飞机使用机动载荷控制
飞机主动控制技术
直接力操纵
直接力操纵就是在不改变飞机飞行姿态的条件下，通过操 纵一些操纵面直接提供附加升力或侧力，使飞机作垂直方向 或侧向的平移运动来改变飞机的航迹，即所谓作“非常规机 动”飞行。
由于飞机在跨音速区焦点急剧后移，因而造成跨音速的速度 不稳定，这种不稳定性在向超音速加速时表现为“自动俯冲”， 在从超音速向亚音速减速时表现为“自发增加过载” 。
源自文库
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
迎角达到12°～15°时纵向静态过载稳定性丧失。
所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡 阻尼恶化。 对于所有飞机，纵向操纵舵面的偏转和相应的单位过载所需 操纵杆的位移，随飞行速度的增大而减小的量是固定的。
飞机主动控制技术
直接升力操纵
飞机主动控制技术
直接侧力操纵
4.4 电传操纵系统
对电传操纵系统的分析设计，主要包括两个方面：
一是控制律；二是可靠性。
电传操纵系统中可靠性与余度技术
所谓采用余度技术就是引入多重(套)系统来执行同一 指令，完成同一项工作任务。同时满足下述三个条件的多 重系统称为余度系统。
横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和M数。
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
对所有超音速飞机，保证横向稳定性的困难很大。
高速飞机横向操纵性的特点之一是，在高速飞行时横向操纵 效率显著下降。
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
现代高速飞机操纵系统的构成
4.3 飞机主动控制技术
放宽静稳定性要求
综合飞行控制系统
飞行管理系统的核心是飞行管理计算机系统。飞行管理 系统的构成如下图所示：
CmC L x cg x ac
纵向两种模态： 短周期运动 长周期运动 飞机纵向稳定性和操纵性主要取决于飞机的下列参数：
ws
CL
CmC L
C mq
C
m
.
操纵系统的特性
横向运动
横向的三种模态： 滚转运动
螺旋运动 荷兰滚运动：其运动与偏航与滚转密切相关，主要取决于 导数：
C l
C n
对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。
一旦系统或系统中某部分出现故障后，必须具有故障隔
离的能力。
电传操纵系统
当系统中出现一个或数个故障时，它具有重新组织余下的
完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力，即 在性能指标稍有降低的情况下，系统仍能继续承担任务。
图示是四余度系统简图：
综合飞行控制系统
综合飞行／火力控制对飞行控制系统的要求
AFTI／F-16通过提高飞行品质和引入新的控制自由度来改进飞行 轨迹的控制。
综合飞行控制系统
综合飞行／推进控制系统
综合飞行／推进控制(IFPC)技术就是把飞机与推进(包括 进气道、发动机和尾喷管)系统综合考虑，在整个飞行包线 内最大限度地满足飞行任务的要求，以满足推力管理，提高 燃油效率和飞机的机动性，有效地处理飞机与推进系统之间 耦合影响及减轻驾驶员负担等项要求，从而使系统达到整体 性能优化。
4.1 操纵系统的特性
飞机的操纵可以由飞行员进行，也可以用自动控制系 统来实现。
操纵系统的特性
驾驶员-操纵系统-飞机控制回路闭环系统：
操纵系统的特性
驾驶员作为控制回路的指令中心环节，用操纵机构消除飞行参数 偏差量的系统原理图：
操纵系统的特性
纵向运动
在没有自动操纵系统的飞机上，要保证相应的纵向静稳定度， 须有：
C nr
4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性 特点及设计
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
基本特点：
高速飞机的普遍特点是，在超音速时，操纵机构的铰链力矩 急剧增大，增量随速压的增长和超过临界M数时操纵舵面压 力的重新分布而增加，也随舵面尺寸的增大而增加。 超音速飞机最重要的特点是纵向静态过载稳定性与飞行状态 密切相关。
电传操纵系统
电传操纵系统的组成
电传操纵系统可分为模拟式和数字式两种，数字式是发展方向。
四余度模拟式电传操纵系统原理图
电传操纵系统
F—16飞机是世界上第一架现役的电传操纵系统飞机。下图为 F—16A飞机的电传操纵系统原理图：
4.5 综合飞行控制系统
综合飞行／火力控制系统
综合飞行／火力控制(IFFC)技术是美国在20世纪70年代
综合飞行控制系统
下面以某型歼击机为例，说明带推力矢量综合飞行／推进
控制系统的组成和功能。某歼击机具有水平鸭翼的三翼面气动 布局；该机装有两台双轴涡轮喷气发动机；尾喷管安装具有反 推力能力的俯仰／偏航矢量喷管。该机综合飞行／推进控制 系统的方块图如下图所示：
综合飞行控制系统
飞行管理系统
飞行管理系统(FMS--Flight Management System) 是 一个协助飞行员完成从起飞到着陆各项任务的系统，可管理、监视 和自动操纵飞机，实现全航程的自动飞行，是当代民航 先进飞机如波音公司的757／767、空中客车公司的A310、 A320等采用的一种新型机载设备。它集导航、制导、控制及 座舱显示于一体，将飞机的自动化水平推到了一个崭新的阶段。飞行 管理系统的主要功能一般可归结为4个：自动飞行控制、 性能管理／制导／导航、咨询／报警显示和乘员操作。
放宽静稳定性要求及飞行边界控制是两项最基本的随控 布局技术。
旅客机可以采用移动重心法来解决超音速飞行时的配平
阻力过大的问题，但对于高机动性的歼击机来说就不适用了， 只有在“放宽静稳定性要求”实现之后才可解决这个问题。
飞机主动控制技术
机动载荷控制
机动载荷控制的目的，对于大型（轰炸、运输）飞机和 小型（歼击）飞机是不同的。对于大型飞机是提高其巡航经 济性；对于小型飞机则是提高其机动性。
中期提出的一种新的航空技术。它以飞机主动控制技术为基础， 通过飞行／火力耦合器将能解耦操纵的飞行控制系统(FCS)和
攻击瞄准系统综合成一个闭环武器自动投放系统。
综合飞行控制系统
综合飞行/火力控制系统基本组成及特点
IFFC具有以下特点：
飞机采用主动控制技术，获得多自由度解耦控制功能，或者至少载机飞 行控制能部分地(或近似地)实现飞行状态和飞行姿态间的解耦控制。 飞行控制系统能在火力控制系统的耦合下，操纵飞机进行自动攻击。 采用适合于自动机动攻击的火力控制系统。
飞机主动控制技术
大型飞机的机动载荷控制
NB－52飞机的机动载荷控制的控制面
飞机主动控制技术
歼击机的机动载荷控制
F－4飞机使用机动载荷控制
飞机主动控制技术
直接力操纵
直接力操纵就是在不改变飞机飞行姿态的条件下，通过操 纵一些操纵面直接提供附加升力或侧力，使飞机作垂直方向 或侧向的平移运动来改变飞机的航迹，即所谓作“非常规机 动”飞行。
由于飞机在跨音速区焦点急剧后移，因而造成跨音速的速度 不稳定，这种不稳定性在向超音速加速时表现为“自动俯冲”， 在从超音速向亚音速减速时表现为“自发增加过载” 。
源自文库
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
迎角达到12°～15°时纵向静态过载稳定性丧失。
所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡 阻尼恶化。 对于所有飞机，纵向操纵舵面的偏转和相应的单位过载所需 操纵杆的位移，随飞行速度的增大而减小的量是固定的。
飞机主动控制技术
直接升力操纵
飞机主动控制技术
直接侧力操纵
4.4 电传操纵系统
对电传操纵系统的分析设计，主要包括两个方面：
一是控制律；二是可靠性。
电传操纵系统中可靠性与余度技术
所谓采用余度技术就是引入多重(套)系统来执行同一 指令，完成同一项工作任务。同时满足下述三个条件的多 重系统称为余度系统。
横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和M数。
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
对所有超音速飞机，保证横向稳定性的困难很大。
高速飞机横向操纵性的特点之一是，在高速飞行时横向操纵 效率显著下降。
现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计
现代高速飞机操纵系统的构成
4.3 飞机主动控制技术
放宽静稳定性要求
综合飞行控制系统
飞行管理系统的核心是飞行管理计算机系统。飞行管理 系统的构成如下图所示：
CmC L x cg x ac
纵向两种模态： 短周期运动 长周期运动 飞机纵向稳定性和操纵性主要取决于飞机的下列参数：
ws
CL
CmC L
C mq
C
m
.
操纵系统的特性
横向运动
横向的三种模态： 滚转运动
螺旋运动 荷兰滚运动：其运动与偏航与滚转密切相关，主要取决于 导数：
C l
C n
对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。
一旦系统或系统中某部分出现故障后，必须具有故障隔
离的能力。
电传操纵系统
当系统中出现一个或数个故障时，它具有重新组织余下的
完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力，即 在性能指标稍有降低的情况下，系统仍能继续承担任务。
图示是四余度系统简图：
综合飞行控制系统
综合飞行／火力控制对飞行控制系统的要求
AFTI／F-16通过提高飞行品质和引入新的控制自由度来改进飞行 轨迹的控制。
综合飞行控制系统
综合飞行／推进控制系统
综合飞行／推进控制(IFPC)技术就是把飞机与推进(包括 进气道、发动机和尾喷管)系统综合考虑，在整个飞行包线 内最大限度地满足飞行任务的要求，以满足推力管理，提高 燃油效率和飞机的机动性，有效地处理飞机与推进系统之间 耦合影响及减轻驾驶员负担等项要求，从而使系统达到整体 性能优化。